Задача 5. Найти графоаналитическим методом оптимальное решение задачи нелинейного программирования.

Найти графоаналитическим методом оптимальное решение задачи нелинейного программирования.

maxZ = 3.6x₁ – 0.2x₁² + 0.8x₂ – 0.2x₂²

2x₁ + x₂ ≥ 10

x₁² -10x₁ + x₂ ≤ 75

x₂ ≥ 0

В данной задаче имеется нелинейная целевая функция с нелинейной системой ограничений. Графическая схема позволит определить положение точки оптимума.

Сначала необходимо преобразовать формулу целевой функции так, чтобы получить её графическое отображение. Воспользуемся методом выделения полного квадрата двучлена относительно x₁ и x₂, разделив левую и правую части формулы на -0.2:

-5Z = x₁² -18x₁ + x₂² – 4x₂

Добавим к левой и правой частям уравнения числа, необходимые для выделения полных квадратов двучлена в правой части выражения:

9² и 2² в сумме составляют 85:

85 – 5Z = (x₁ – 9)² + (x₂ – 2)²

В результате получилась формула, позволяющая графически изобразить целевую функцию в виде линии уровня на плоскости X₁OX₂. Данные линии уровня представляют собой окружности с общим центром в точке O (9; 2). Данная точка является точкой абсолютного экстремума целевой функции.

Для определения характера экстремума нужно провести анализ целевой функции на выпуклость/вогнутость. Для этого необходимо определить вторые частные производные и составить из них матрицу:

Z^”_x1x1 Z^”_x1x2 = -0.4 0

Z^”_x2x1 Z^”_x2x2 0 -0.4

Определим знаки главных миноров данной матрицы.

Главный минор первого порядка -0.4 < 0.

Главный минор второго порядка 0.16 > 0.

Т.к. знаки миноров чередуются, функция Z - строго вогнута. Экстремум вогнутых функций – max, следовательно в точке О у целевой функции находится абсолютный максимум.

Для построения области допустимых значений преобразуем второе неравенство системы ограничений:

x₁² – 10x₁ + x₂ ≤ 75

x₁² – 10x₁ + 25 + x₂ ≤ 100

(x₁ – 5)² + x₂ ≤ 100

(x₁ – 5)² ≤ 100 – x₂

Уравнение (x₁ – 5)² = 100 – x₂ выразим через переменные x₁^* и x₂^*:

x₁^* = x₁ – 5

x₂^* = 100 – x₂

Уравнение примет вид: x₁^*2 = x₂^*.

В системе координат X₁^*O^*X₂^* данное уравнение является каноническим уравнением параболы.

На рисунке область допустимых значений – ограниченная часть плоскости ABCD. Из полученного графика видно, что точка абсолютного максимума Z лежит внутри ОДР. Следовательно, целевая функция принимает максимальное значение в этой точке:

max Z = Z(O) = Z(9; 2) = 17